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Elektrische Entladungsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft elektrische Entladungsvorrichtungen, insbesondere von der Bauart, bei der eine Verstärkung eines Primärelektronenstroms, wie er z. B. von einer thermionischen Kathode oder von einer dem Lichte ausgesetzten photoelektrischen Oberfläche emittiert wird, unter Auswertung der Erscheinung der Sekundäremission erzielt wird.
Eine einem Elektronenbombardement ausgesetzte Elektrode sendet Sekundärelektronen aus.
Das Verhältnis der Zahl der Sekundärelektronen hängt zum Teil von der Natur der bombardierten
Oberfläche und von der Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche und der Elektronenquelle ab.
Dieses Verhältnis kann erheblich grösser als Eins gemacht werden. Beispielsweise ist ein Verhältnis von drei oder mehr Sekundärelektronen für ein auftreffendes Elektron leicht mit Hilfe metallischer, auf bekannte Weise behandelter und Entladungen bei Spannungen von 300 bis 400 Volt ausgesetzter Oberflächen, erreichbar. Da die ausgesendeten Elektronen die auftreffenden an Zahl übertreffen. werden im folgenden diese Elektroden für gewöhnlich als"Vervielfachelektroden" (multiplier) bezeichnet.
Lässt man den Sekundärelektronenstrom seinerseits wieder mit genügender Geschwindigkeit auf eine weitere Elektrode mit entsprechend behandelter Oberfläche auftreffen, so kann das Verhältnis der Sekundäremission der zweiten Vervielfachelektrode ebenfalls grösser als Eins sein. So ist man imstande, mit"n"Vervielfachelektroden in Kaskadenschaltung z. B. eine Verstärkung des ursprünglichen oder primären Elektronenstromes zu erhalten, die gleich der Verstärkung an einer Elektrode zur n-ten Potenz erhoben ist. In einer einzigen Vorrichtung kann eine millionenfache Verstärkung erreicht werden.
Die bisher bekannten Vorrichtungen, die die Erscheinung der Sekundäremission zur Verstärkung benutzen, haben sich als unzuverlässig und unzulänglich erwiesen, hauptsächlich wegen der unvollständigen und unsichere Steuerung und Auswertung der Sekundärelektronenströme. So werden z. B. bei einer der bisher bekannten Vorrichtungen die gleichen elektrostatischen Felder sowohl zur Beschleunigung als auch zur Bestimmung der von den Primär-und Sekundärelektronen beschriebenen Bahnen verwendet. Im allgemeinen ergab sieh, dass es äusserst schwierig ist, die Elektronenbahnen in einer Röhre jener Bauart so zu lenken, dass alle Elektronen einer Quelle auf die gewünschte Zieloder Auftreffstelle fallen.
Ein weiterer Nachteil solcher früherer Elektronenvervielfacher (Elektronenmultiplier) ist darin gelegen, dass das Feld in der Nachbarschaft jeder Vervielfachelektrode, das zum Wegführen der Sekundärelektronen dient, notwendigerweise schwach sein muss. Infolge der geringen Stärke des Feldes ist es unmöglich, starke Ströme aus diesen Elektroden zu erhalten. Ein Versuch, diesen Nachteil durch Erhöhung des Potentials der folgenden Elektrode zu beheben und dadurch das beschleunigende Feld in der Nachbarschaft der vorhergehenden Vervielfachelektrode zu verstärken, führt im allgemeinen zu einem schlechteren Ergebnis, da einige der Primärelektronen, die sonst auf die vorhergehende Vervielfältigungselektrode auftreffen würden, über diese hinweg zu einer der folgenden Elektroden geführt werden.
Infolgedessen ist es wegen der Raumladungsbegrenzung des Stromes unmöglich, Proportionalität zwischen der Eingangserregung oder dem Strom der Primärquelle und dem Ausgangsstrom zu erhalten, ausgenommen bei ausserordentlich schwachen Ausgangsströmen.'
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Demgemäss ist Gegenstand der Erfindung eine elektrische Entladungsvorrichtung mit Auswertung der Sekundärelektronenemission, bei der die grösstmögliche Verstärkung je Stufe erhalten wird und Proportionalität zwischen Eingangserregung und Ausgangsstrom erhalten werden kann.
Weiters ist Gegenstand der Erfindung ein Verstärker oder Elektronenvervielfacher mit Sekundärelektronenemission, bei dem der Sekundärelektronenstrom jedes Aussenders konzentriert oder gesammelt und genau auf das genannte Ziel gerichtet wird und bei dem eine störende Beeinflussung zwischen den verschiedenen Sekundärelektronenströmen auf ein Mindestmass gebracht ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verstärker oder Elektronenvervielfacher, bei dem praktisch kein Verlust an Sekundärelektronen auftritt und bei dem die besten Bedingungen für die Verstärkung oder für andere gewünschte Resultate leicht durch äussere Potentialregelung erhalten werden können ; dessen Betrieb ferner wirtschaftlich und verlässlich ist und bei dem die erreichbare Verstärkung im Vergleich zu der mit einem thermionisehen Verstärker üblicher Bauart erzielbaren sehr gross ist.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung soll auch im wesentlichen für jeden Zweck, für den thermionische Röhren bekannter Bauarten angewendet werden, verwendet werden können, wie z. B. als Verstärker, als Demodulator, als Oszillator, als kombinierter Oszillator und Modulator usw.
Gegenstand der Erfindung ist es auch, eine kombinierte Photo-und Verstärkerröhre zu schaffen, die auch den allerhöchsten Frequenzen, wie sie bei Fernseheinrichtungen in Betracht kommen, entspricht.
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geeignet sein.
Die angegebenen und andere damit zusammenhängende Aufgaben werden zweckmässig durch Anordnung getrennter elektrostatischer Felder zur Erzeugung der Sekundärelektronen an einer Elektrode und zum Sammeln der Elektronen auf der nächstfolgenden Elektrode gelöst. Im besonderen werden bei einer zweckmässigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes von einer photoelektrisehen oder thermionischen Primärquelle ausgesendete Elektronen auf eine zur Sekundäremission befähigte Oberfläche mit einer genügend hohen Geschwindigkeit zum Auftreffen gebracht, um eine Sekundäremission mit einem Verhältnis zum Primärelektronenstrom, das grösser als Eins ist, zu erzeugen.
Durch Anwendung einer Elektronenoptik bzw. eines Elektronenlinsensystems wird der so erzeugte Sekundärelektronenstrom gegen eine andere gleiche Oberfläche mit einem noch höheren positiven Potential gerichtet, wo weitere Sekundärelektronen erzeugt werden. In jedem Falle wird von Elektronenlinsen Gebrauch gemacht, um die Primärelektronen zu sammeln und auf den ersten Sekundäremitter zu lenken, die Sekundärelektronen vom ersten Emitter oder Aussender auf den zweiten Emitter usw.
Dieser Vorgang kann eine Anzahl von Malen innerhalb desselben Behälters wiederholt werden, und der endgültige ausserordentlich verstärkte Sekundärelektronenstrom wird an der Ausgangselektrode gesammelt.
Im besonderen besteht eine zweckmässige Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes aus einem zickzackförmigen evakuierten Behälter, in dem eine Mehrzahl von der Reihe nach angeordneten Elektroden befestigt ist und dessen Innenwände zwischen den Elektroden mit leitenden Belägen versehen sind, die, mit geeignetem Potential versehen, als Elektronenlinsen wirken.
Wie im folgenden ausgeführt wird, ist die Zickzackform des Behälters nicht unbedingt wesentlich, aber sie ist leicht herzustellen und hat sich als sehr geeignet für experimentelle Zwecke erwiesen.
Ferner ist gemäss der Erfindung jede der Elektroden der Reihe nach und jeder der Beläge, die die Elektronenlinsen darstellen, mit einer aus dem Behälter herausragenden Leitung versehen, um im Betriebe geeignete Potentiale auslegen zu können.
Dadurch, dass Elektronenlinsen für das Sammeln und Richten der Elektronen von Ort zu Ort in der Vorrichtung gemäss der Erfindung angewendet werden, ist deren Verwendung in Apparaten möglich, bei denen die Gegenwart von elektromagnetischen sammelnden Feldern von Schaden wäre.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand durch Ausführungsbeispiele schematisch veranschaulicht. Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung einer zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung, in der Wandteile abgebrochen sind, um den Aufbau und die Anordnung der Elektroden deutlicher zu zeigen ; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, welche die Art, wie die einzelnen Elektroden mit Energie versorgt werden, zeigt ; Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung ; und Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die die Anwendung der elektrischen Entladungsvorrichtung als "degenerativen" Verstärker veranschaulicht.
Nach Fig. l kann eine gemäss der Erfindung gebaute Elektronenentladungsvorrichtung aus einem N-förmigen evakuierten Behälter 1 bestehen, an dessen einem Ende eine aus einer photoelektrischen Kathode 3 bestehende Elektronenquelle angeordnet ist und an dessen anderem Ende eine Ausgangselektrode 5 angebracht ist. Es versteht sich, dass die Kathode hauptsächlich nur beispielsweise dargestellt ist, da das Auftreten von Elektronen in der Röhre auch auf andere Weise bewirkt werden kann.
Eine Vervielfachelektrode 7 mit einer zur Sekundäremission befähigten Oberfläche ist im Behälter an der Verbindungsstelle zwischen dem ersten Schenkel 9 und dem Verbindungsteil 11, der sich zwischen diesem Schenkel und dem zweiten Schenkel 13 befindet, angebracht und eine gleiche Vervielfachelektrode 15 ist iin Behälter an der Verbindungsstelle zwischen dem Verbindungsteil und
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dem zweiten senenKel angeordnet. jede vervieuaeneieKtrode ist so angeordnet, dati die Aehsen des
Schenkels und des Verbindungsstückes mit ihr im wesentlichen gleiche Winkel einschliessen.
Zur Sammlung, Beschleunigung und Richtung der Elektronen von der Kathode 3 zur ersten
Vervielfachelektrode 7 ist zwischen diesen eine Elektronenlinse angeordnet. Diese Linse besteht aus einem mit Löchern versehenen Zylinder 17, der der Kathode benachbart ist, und einem leitenden
Belag 19 auf der Innenwand des an die erste Vervielfachelektrode angrenzenden Behälterschenkels, wobei an jeden Teil geeignete Spannungen angelegt werden können.
Wie später noch mehr im einzelnen gezeigt werden wird, werden von der Kathode ausgesendete
Primärelektronen mittels der soeben erwähnten Elektronenlinse vereinigt und auf die erste Vervielfachelektrode gerichtet, wodurch eine reichliche Aussendung von Sekundärelektronen veranlasst wird.
Um die Sekundärelektronen wegzuführen und ihnen eine Anfangsgeschwindigkeit in der Richtung zur zweiten Vervielfaehelektrode zu geben, kann im Verbindungsteil n der Röhre ein beschleunigendes
Schirm-bzw. Siebelement 21, an das ein positives Potential angelegt werden kann, angeordnet werden.
Um die Sekundärelektronen der ersten Vervielfachelektrode weiters zu beschleunigen und auf der zweiten Vervielfachelektrode 15 zu sammeln, wird eine zweite Elektronenlinse, die aus einer Mehrzahl voneinander getrennter leitender Wandbeläge 2. 3 und 25 besteht, zwischen der ersten und der zweiten Vervielfachelektrode angeordnet. Diesen Belägen können ebenfalls, wie später gezeigt wird, geeignete Potentiale erteilt werden.
Der Schirm ist nicht unbedingt wesentlich für die Vorrichtung. Wenn er weggelassen wird, dient das erste der Vervielfachelektrode zunächst liegende Elektronenlinsenelement, wenn es auf einem höheren Potential gehalten wird, dazu, die Sekundärelektronen wegzuführen und sie auf die nächste Vervielfachelektrode hin zu richten.
Gegebenenfalls kann der zweite Schenkel 1. 3 des Behälters durch ein zweites, mit einem zusatz- lichen beschleunigenden Schirm entsprechend dem Schirm 21 sowie auch mit geeigneten Elektronenlinsen bildenden Elementen versehenes Verbindungsrohr ersetzt werden, und die Sekundärelektronen des zweiten Aussenders können wieder gesammelt und gegen eine dritte Vervielfachelektrode gerichtet werden usw. Um jedoch die Zeichnung zu vereinfachen, wurden weitere Vervielfachelektroden weggelassen, und es wurde die Ausgangselektrode 5 bloss an den zweiten Aussender anschliessend dargestellt. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Elemente, aus denen die Elektronenlinsen bestehen, auch ausserhalb des Behälters angeordnet sein können, ohne dass deswegen von dem Erfindungsgedanken abgegangen werden würde.
In der tatsächlich ausgeführten Vorrichtung besteht die photoelektrische Kathode aus einer Scheibe reinen Silbers mit einem Durchmesser von ungefähr 18 mm und einer Stärke von 0'25 mm.
Der durchlöcherte Zylinder ist aus einem 32maschigen Nickelsieb gemacht. Dieses Material wurde auch für die beschleunigende Siebelektrode verwendet. Die Vervielfachelektroden oder Zielbleche sind auch aus reinem Silber und ungefähr 25 mm im Durchmesser und 0'25 mm stark. Die Ausgangselektrode wird zweckmässig aus Tantal oder einem entsprechenden Metall, ungefähr 18 mm im Durchmesser und 0'125 mm stark gemacht.
Nach Fig. 2 werden bei Betrieb der Vorrichtung die photoelektrische Elektrode, die einzelnen Vervielfachelektroden, das beschleunigende Sieb und die Elektronenlinsenelemente mit entsprechenden Potentialen aus irgendeiner verfügbaren Gleichstromquelle gespeist. Diese Quelle ist in der Zeichnung durch einen Spannungsteiler 26 veranschaulicht, an dessen negative Klemme die Kathode. 3 angeschlossen ist und dessen positive Klemme über einen Ausgangswiderstand 28 mit der Ausgangselektrode verbunden ist. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, dass jedes Element, von der Kathode angefangen, der Reihe nach mit einem immer stärker positiven Punkte des Spannungsteilers verbunden ist.
Diese Art der Verbindung hat sich als vorteilhaft ergeben, aber es soll aus der Zeichnung nicht geschlossen werden, dass dies unbedingt nötig ist, da es auch ganz gut möglich ist, jede Vervielfachelektrode auf dem niedrigeren Potential des ihr zunächst liegenden Linsenelementes zu halten, und es kann das beschleunigende Sieb auch weggelassen werden. Gegebenenfalls kann der Zylinder 17 auf dem Potential der Kathode 3 gehalten werden.
Da der durchbrochene Zylinder 17 ein Element der ersten der Kathode nächstliegenden Elektronenlinse ist, könnte er natürlich auch durch einen leitenden Belag an der Innenwand der Röhre ersetzt werden. Die dargestellte Form ist jedoch deshalb vorteilhaft, weil sie den Eintritt des Lichtes von einer entsprechenden Lichtquelle gestattet. Dieses Licht kann durch eine bewegliche photographische Schallaufzeichnung moduliert werden ; oder es kann irgendeine andere Lichtquelle sein, deren Schwankungen entsprechend ein verstärkter elektrischer Strom gewünscht wird.
Zur Vervollständigung der Beschreibung sei noch die Reihenfolge der Arbeitsgänge bei der Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung angegeben.
Die Glashülle wurde zuerst in der dargestellten Form hergestellt, wobei die Enden der Schenkel und die Verbindungsstellen zwischen den Schenkeln offengelassen wurden, um die entsprechenden die Elektroden tragenden Quetschfüsse einschmelzen zu können.
Nachdem die Glashülle vorbereitet war, wurde die Lage der metallischen Beläge auf dem Glase angezeichnet, und auf der Innenseite der Hülle wurde eine im Handel erhältliche Platinier-
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lösung, den zuvor angebrachten Marken entsprechend, aufgebracht. Die ganze Hülle wurde dann auf ungefähr 400 C erhitzt, um diese Platinierlösung zu metallischem Platin zu reduzieren. Die zuvor beschriebenen Elektroden wurden auf den Drähten der Glasfüsse befestigt, die dann an den entsprechenden Stellen der Hülle eingeschmolzen wurden. Die Röhre wurde mittels einer (nicht gezeichneten) Röhrenleitung an ein Hochvakuumpumpsystem angeschmolzen, durch das die Röhre evakuiert werden konnte. Ein (nicht gezeichneter) Anhang zur Aufnahme von Kügelchen einer Caesiumverbindung, wie z. B.
Caesiumchromat, und ein reduzierendes Mittel, wie z. B. Aluminium-oder Siliziumpulver, wurde an die Röhre mittels eines andern (nicht gezeichneten) Röhrchens angeschmolzen, durch welches das Caesium aus den Kügelehen dem Hauptkörper der Röhre zugeführt werden konnte.
Die Röhre wurde dann auf 450 C erhitzt und gleichzeitig evakuiert. Die Erhitzung wurde, nachdem der Ofen die endgültige Temperatur erreicht hatte, durch ungefähr dreissig Minuten durchgeführt. Nach der Erhitzung wurde die Röhre gekühlt und dann wurde eine geringe Menge reinen Sauerstoffes bei einem Druck von ungefähr 1 mm Quecksilbersäule in die Röhre eingelassen. Die Kathode und die Vervielfachelektroden wurden hierauf oxydiert, indem eine elektrische Entladung von diesen Elementen zu irgendeinem andern Element in der Röhre bewirkt wurde, bis die Elektrodenoberflächen eine bläulichgrüne Färbung angenommen hatten.
Der Sauerstoff wurde dann herausgepumpt und die Kügelehen aus der Caesiumverbindung und dem Reduktionsmittel wurden genügend erhitzt, um die Reaktion, die das metallische Caesium ergibt, einzuleiten. Das metallische Caesium wurde durch Erhitzung des Anhanges in den Hauptkörper der Röhre getrieben. Die Röhre wurde noch einmal bei 200 C für ungefähr zehn Minuten erhitzt und abgekühlt. Der Caesiumanhang wurde dann von der Röhre abgesehmolzen und die Röhre von dem Vakuumsystem.
Man könnte annehmen, dass das Caesium auch auf den Linsenelementen und auf andern Elektroden, die nicht zur Primär-oder Sekundäremission bestimmt sind, abgesondert wird. Dies ist unzweifelhaft der Fall, aber infolge der grösseren Affinität des Caesiums zu einem Oxyd, insbesondere zu Silberoxyd, wurde das meiste Caesium, wenn die Röhre sich in der Enderhitzung befand, von den andern Elementen weggetrieben und von den oxydierten Silberelektroden aufgenommen. Das Caesium bildet mit dem Silberoxyd eine chemische Verbindung, die ziemlich stabil ist, obwohl die hier stattfindende chemische Reaktion nicht endgültig genau bekannt ist.
Aus der vorhergehenden Beschreibung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung könnte man
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Eine Ausführungsform der Vorrichtung nach einer solchen Bauart ist in Fig. 3 veranschaulicht, in der die entsprechenden Elemente ähnlich wie in Fig. 1 bezeichnet sind.
Auch ist zu beachten, dass man nicht auf die Verwendung einer photoelektrischen Kathode beschränkt ist, denn es liegt innerhalb des Rahmens der Erfindung, diese durch irgendeine geeignete Elektronenquelle zu ersetzen, wie z. B. durch eine der thermionischen Bauart, und ein oder mehrere
Gitter vorzusehen, um die Elektronenemission entsprechend zu steuern. Die Art, wie eine steuerbare thermionische Quelle an Stelle der photoelektrischen Kathode J in den Behälter eingesetzt werden kann, ist jedem Fachmann geläufig, weshalb es sich erübrigt, hierauf weiter einzugehen.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 werden, wenn stetiges oder wechselndes Licht auf die photoelektrische Kathode 3 fällt, von dieser Primärelektronen nach beliebigen Richtungen ausgesendet. Infolge des der ersten vervielfachenden Elektrode erteilten positiven Potentials werden die Primärelektronen zu ihr hin beschleunigt. Um zu gewährleisten, dass im wesentlichen alle Primärelektronen die erste Vervielfaehelektrode erreichen, werden der durchlochte Zylinder 17 und der erste innere Belag 19 auf einem der Reihe nach in bezug auf die Kathode höheren positiven Potential gehalten. In diesem Falle wirkt der Raum zwischen dem Zylinder und dem Belag als sammelnde Elektronenlinse, die bewirkt, dass die nach beliebigen Richtungen ausgesandten Sekundärelektronen auf einem bestimmten Teil der ersten beschleunigenden Elektrode vereinigt werden.
Den von dieser Elektrode ausgesendeten Sekundärelektronen wird eine Anfangsbeschleunigung zur zweiten Vervielfachelektrode hin mittels des dazwischengesehalteten Schirmes oder Siebes 21 erteilt. Sie werden gerichtet und auf der zweiten Vervielfachelektrode 15 mittels der zweiten, aus den dazwischenliegenden Belägen 2-3 und 25 bestehenden Elektronenlinse in derselben Weise vereinigt, wie dies bei den Primärelektronen beschrieben wurde. Beim Erreichen der zweiten Vervielfachelektrode treiben die Sekundärelektronen weitere Sekundärelektronen aus, die zur Ausgangselektrode hinübergezogen werden und Strom im Ausgangswiderstand hervorrufen.
Diese Vorrichtung gemäss der Erfindung ist ausser ihrer Fähigkeit, einen wechselnden Strom entsprechend einer wechselnden Lichtquelle hervorzubringen, auch imstande, nicht lineare Verstärkung zu ergeben. Das heisst, es kann sowohl bei der photoelektrischen als auch bei der thermionischen Bauart ein Ausgangsstrom erhalten werden, der nicht direkt proportional der Eingangserregung ist, sondern irgendeiner andern Kurve folgt. Nicht lineare Verstärkung kann z. B. durch Zwischenschaltung einer Impedanzvorrichtung 27 zwischen den Spannungsteiler und die erste Vervielfachelektrode 7 erzielt werden.
Diese Impedanzvorrichtung kann aus einem Widerstand oder einer Induktion mit solchen elektrischen Eigenschaften gebildet sein, dass beim Wechsel des durchgehenden Stromes das Potential
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für das Wegführen der ausgesendeten Elektronen mit bestem Wirkungsgrad günstig ist. Im wesentlichen wurde keinerlei störende Beeinflussung oder Unterbrechung zwischen den mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Elektronen und den mit geringer Geschwindigkeit sich fortbewegenden Sekundärelektronen beobachtet, und es erscheint sehr wahrscheinlich, dass überhaupt keine störende Beeinflussung zwischen den konzentrierenden und den beschleunigenden Feldern besteht.
Aus den vorher aufgezählten Tatsachen folgt, dass in der Vorrichtung gemäss der Erfindung der Ausgangsstrom durch die Raumladungen nicht begrenzt ist. Als Folge davon hat die Vorrichtung offenbar keinen Sättigungspunkt, und die Höhe des Ausgangsstromes, den sie erzeugen kann, ist allein von der Wärmemenge abhängig, die die Elektroden abgeben können, von deren Widerstand gegen elektrostatische Zerstörungskräfte, von den an die Elektroden gelegten Potentialen und der Einstellung der Sammelwirkung der Elektronenlinsen durch geeignete Regelung der an sie gelegten Potentiale.
PATENT-ANSPRUCHE : 1. Elektrische Entladungsvorrichtung (Elektronenvervielfacher), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer evakuierten Hülle eine Mehrzahl von Elektroden angebracht und je zwischen zwei benachbarten Elektroden Mittel vorgesehen sind, die Elektronenlinsen bilden, um von einer der beiden Elektroden emittierte Sekundärelektronen auf der andern Elektrode zu vereinigen (fokussieren).